封闭管路内散装固体物料流速的相关测量 (1).docx

1、It）笄物料/福攵赛"灯毛，切闭0馅邮资讯岫f俨第21卷第2期1992年6月第21卷第2期1992年6月Vol.21No.2Jun.1992中国矿业大学学报JournalofChinaUniversityofMining&Technology封闭管路内散装固体物料流速的相关测量本课题为国家教委博士点基金项0.魏任之黄民'肖世德吴淼摘要本文就管道内团体物料流速的相关测量技术迁行了探讨和所完，并设计和制作了一种新型电容传感器、变换器、以及全软件式实时相关器（包括接口电珞和相关软件），相关测速误差在正肉1%左右,相关处理实时性在Is左右，信号传感变送系统的信噪比在40dB以

2、上.关键词：气/固两相流，流速测量,电容传感器，变送器，实时相关软件1引言长期以来，两相流（气/液、气/固、液/固）的流动参数的测量和控制是许多生产过程中一个急需解决而又未能很好解决的问题.对连续单相气体和液体介质的流动用经典的孔板差压等方法来监测，可以达到足够的精度。而对于两相流和多相流，尤其是固体介质的流动，用各种传统方法来达到实时监测是难以奏效的.而在很多工业生产过程中，为了实现生产过程的连续化、自动化和高速化，迫切需要能够实时在线连续监测和控制两相流的流动情况。本文利用相关测量技术成功地研制了一种用于管道内气固两相流流速在线监测的实时相关测量系统.2相关测速的基本原理相关测速系统原理如

3、图1.当被测流体在管道内作稳定流动时，随机流动噪声信号Hi）、yO）可以认为是符合各态历经平稳随机过程X（i）和FW的两个样本函数。,只要两个传感器的间距匕合理，两个传感器和变送器的静动态性能完全一样，则可以认为两个随机流动噪声信号x（t）和y（t）是相似的,其互相关函数峰值对应的滞后时间就是被测流体从截面如'到沥/的流动时间.在理想流动条件下，被测流体的体积平均流速儿p可以用相关速度匕来表示.即：从而，两相流的流速问题转化为随机流动噪声信号的检测和互相关峰值位登的确定问题。因此一般相关测量系统可分为以F两个部分：1992年1992年中国矿业大学学报图1互相关泗速系统原理图2.1传本器

4、和变送器系统用于获取随机流动噪声信号，并转化为可供后续处理的电信号，其信号检取的正确与否是相关测量系统的基础。2.2相关处理系统用于确定相关函数及其最大峰值位置，相关处理过程的在线实时性和正确可篇性是相关测量系统实用化的前提。同时应建立一个实验标定系统，用于测定由1、2两部分构成的相关测量系统的性能和精度以及修正常数，实验标定系统是整个相关测眉系统的精度保证.3传感器的设计与制作3.1传感器类型的选择迄今为止，国内外已研制出许多不同类型的流动噪声传感器，有超声式，光学式、电动力学式、核辐射式、热线探针式、电容式等等。对于气固两相流而言，由于超声式存在衰减这个难以克服的障碍.核辐射式存在安全性和

5、曲应过低问题，光学式存在光污染和透光性问题等等，使电容式传感器成为唯一的最佳选择。它具有以下优点：a. 电容式传感器原理简单、可靠；b. 可实现非接触式测量，便于卡钳式”安装；c. 适用性广,响应快；d. 价格低廉，便于应用.3.2电容传感器的结构设计和制造传感器的制作：（试验管道为©lOOmm内径的聚筑乙烯绝缘塑料管道），用两片宽8=10mm的薄铜皮贴于管道的外壁,形成一对电容传感器电极板，相距L=64mm安装两对同样的极板，作为上、下游传感器，如图2所示.用细密铁丝网对上、下游传感器作超宽屏蔽，并接于良性实地，传感器极板到变送器采用优质屏蔽信号线连接传输.图2传感器安装结构图4变

6、送器（电容-电压转换器）的设计变送#（电容-电压转换器）的功能是将电容传感器的电容信号转换成电压信号.由于电容变化量较小，因而要求变送电路具有较高的灵敏度.同时能对变换得到的微弱电压信号加以放大，达到二次伊表所要求的输入幅值.鉴于集成芯片具有灵敏、稳定、高度集成等优点，本系统的变送电路主要由集成芯片构成.采用高灵敏度电容测量电路（即脉宽调制电路）作为第一级转换，后经真有效值转换电路、放大电路、滤波电路等四级信号处理，最后得到所需要的理想电压信号（如图3）.整个变送器的电路原理见图4。图3变送器原理框图所研制的传感器及其变送系统的抗干扰措施主要体现在以下几个方面：a. 采用脉宽调制式电容检测电路

7、和真有效值转换电路，均化电容具有抗干扰作用.b. 传感器采用铁丝网超宽屏蔽，消除环境电容的影响。c. 变送器与传感器本体尽量接近，减少介入的导线电容.d. 传感器和变送器及屏蔽系统接于同一良好实地。e. 采用单一稳压电源供电.并消除电源的级间交流耦合效应。f. 切比雪夫低通滤波器的使用.g. 采用集成元件，减少分立元件.h. 级间采用隔直电容。4中国矿业大学学报1992年5相关处理系统5.1相关鼻法的原理从理论上讲，信号采:)和yO)的互相关函数表述了信号在时延域上的相似性，其计算公式如下：R”6)=Jx(z)-y(t+Odt对应离散算式如下：1IRXy(rn)=£x(k)-y(k+

8、m)m=1式中为信号x(D,以。采样值，采样频率为。可以看出，计算一次相关函数要做N次乘法和N次加法，我们的目标是确定相关函数最大峰值所对应的时间二，计算量正比于N2.方面为了保证相关函数的计算精度，要求采样点数N足够多，以满足T一8条件；另一方面为了保证时延测量的精度，又要求采样频率/足够高，可以想象计算量是巨大的.要提高相关处理的速度，可从两个方面入手：a. 提高互相关函数R,面)的计算速度.b. 提高寻求峰值时滞c的速度.把信号xtyt）加以.lbit极化，化乘法运算为异或非逻辑运算、是对Rxym）计算的重大改进.理论上已经证明，随机流动噪声是高斯型的、而高斯型随机过程及其极性互相关函数

9、Rxypm）与互相关函数Rxy（m）有如下关系：(m)=arcsinnRxy(m)/Rr(O)xR,(0)可见，Rxyp（m）与的峰值位置是一致的，而极化带来的误差可以通过增加计算点数N来弥补.以上极性互相关函数是各种硬件相关器和软件相关器的理论基础.5.2相对过零快速寻峰极性相关算法由于电容传感器空间滤波效应的影响，所测得的随机流动噪声信号的频带一般在500Hz左右，可实际工作中又常常要求时延精度在ms或“s级.对这种低信号频带高分辨率要求的互相关处理而言，采用Henry过零时刻算法是最有效的，其计算量和存储量仅与信号过零频率有关.Henry算法中采用绝对过零时刻数据，存在时钟溢出中断计数困

10、难.实际上直接采用相对过零时刻数据，计算互相关函数是可以的（所谓相对过零指下一个过零时刻的度量，不是以时钟起点为基准，而是以上一个过零时刻为基准）.此时计算极性互相关函数转化为统计过零时刻信号极性一致和不一致情况下过零时刻累计和之差.同Henry绝对过零时刻算法相比：a. 采用相对过零时刻算法，时延修正了时，不必每项x«）过零数据都减去予，节省了计算时间。b. 本算法只累加极性一致时的过零时刻，节省了计算时间。c. 以过零时刻个数做为互相关函数计算时循环控制参数，不以累加总时钟长度为循环终止条件，有自适应功能。d. 采用相对过零时刻易于实现环形存储和动态跟踪，时钟一经起动，不用再打扰

11、.寻找互相关函数最大峰值对应的时间滞后t*实际上是一个一元函数求极值问题.Henry采用第一遍扫描求峰，第二遍再用对分法细化求峰的方法，对256个延时只须计算37次（扫描步长为8）就可求出峰值，速度提高了7倍。假设互相关函数Rx,（"为单峰函数，根据最优化理论，采用0.618法每次收缩区间只须计算一个新函数值而对分法则要计算两个，因此可以把Henry算法寻峰速度再提高一步。这个优点在高分辨率时更加明显。当然真实的极性互相关函数不可能是单经函数,经常的悄况是存在一个最大峰和很多辅助峰（非最大峰）。对软件相关而言，这个问题可以这样解决：a. 根据经箜给定寻峰范围as,ae,减少不必要的寻

12、峰搜索。b. 采用扫描法先求出一个粗峰，然后在细化求峰时再用0.618法.扫描步长可以调整，尽量取得长-些.c. '考虑到稳定流动时，流速不可能突然发生很大变化，因此还可以进行自适应寻峰，即第一轮时用扫描寻峰，此后在前一轮寻峰位置前后自适应搜峰，从而大大减少寻1992年1992年中国矿业大学学报峰工作量。依照以上观点，提出了扫描自适应0.618寻峰算法,根据以上算法编制的相关软件,仿真结果和实际验证表明：软件相关在实时性方面达到了ls与硬件相关器不相上下,并且在灵活性，适用性方面大大优于硬件相关器。S.3实时软件相关器的硬件与软件设计研制软件相关器采用8031单片机作为软件相关器硬件基

13、础.整个实时相关软件采用汇编语言开发，软件设计遵循模块化结构程序设计原理，可以分五个层次，软件模块调用框图如图5:其中：中断模块和服务程序库模埃.可供软件随时随地调用执行.|中航诚I显示I图5软件系统模块结构框图5.4极化过零电路的设计与中断处理O-sv500tQ0.01UFUQKg-J74LS08V:fX4S28十74LS32从电容传感器和变送器输出的随机流动噪声信号是模拟信号（其直流分量已滤除）.为了配合8031单片机完成在线实时极性互相关，需要用妁路极化过零电路、对上下游传感器输出信号.vO）、火。进行极化，成为符合逻辑电平的矩形脉冲串，再在矩形脉冲串上下沿处（过零时刻）产生过零中断脉冲

14、.极化过零电路包括：低通滤波、限幅、极化、整形、单稳、组合等部分，其电路原理图如图6.0.047定TN40O2X2o.oiuflip-图6极化过零电路原理图8031单片机有两个外部中断INTO、INTI,把两路过零中断脉冲接到其输入端，中断触发方式采用后沿触发，由于过零中断的发生是随机的，因此设定其优先级为高。中断服务总要花费-定的时间，在一路过琴中断正处理时又来了新的过零中断，若中断响应不及时，可能造成过零中断算法失败.Henry在其设计的过零中断电路中采用双稳来保证正确性.本研究设计中用软件来保,证：把极化后信号也接到8031的P1接口两个位上，每次每路过零中断时极性相比，若极性相反，本次

15、过零信号有效.若极性相同，证明有中断丢失和重迭发生，不执行过零中断处理.若CTC采用单片机本身机器时侨，计时周期为2s,溢出周期为0.13is,有可能相第2期封闭管路内散装固体物料流速的相关烈研7对过零时刻超过0.131s。为了防止出现这一情况，决定采用外部时钟，因为分辨率到2“s根本没有必要，实用时达到1ms和0.1ms足缀了°为此设计了晶振分频电路作为外部时钟.为了便于相关处理系统的调试和检查，还设计了专门的伪随机信号发生器.6动态试验及系统标定6.1动态试验装置的设计与制作为了对所设计的整套传感器、变送器及软件测试系统进行模拟实际的动态试验，特制作一模拟试验架。管道是内径为10

16、0mm聚氯乙嫦塑料管,长度为1.2m,两传感器安装位置以L、6表示，“=587mm.L=64mm,0=0,试验物料不失一般性，采用0.5立方籍米左右的碎白石.如图7所示.6.2动态测试系统图7模拟动态试验装置显示。图8动态测试系统原理图动态测忒系统原理图如图8所示，直流稳压电源±15V作为变送器的直流稳压电源，磁带机记录来自变送器的两路信号，同时用双踪示波器进行观察，调整两路信号的幅值大小等，然后将磁带机记录的两路信号转放给HP3562A进行信号分析，并做软记录和绘图输出。与此同时.用相关处理系统对磁带机记录的同样的两路信号进行相关处理和相关运算得到物料的流速，并予63系统的标定及实

17、验结果为了考核电容传感器的性能（信噪比和频带），论证相关测速系统的可行性和精度,必须对相关测速系统进行标定实验。6.3.1自由落体实验把物料下落处理成自由落体,即用一个徐码或一团物料作自由落体，估算物料经历两个传感器中线需要的时间差To。设两个传感器间距乙，上游传感器距物料下落点为H.1992年中国矿业大学学报忽略空气阻力的影响，则有：用HP3562A跟踪显示自由落体的信号曲线如图9（图9中的Ax-t）。理想延时估算：H=506mm；L=64mm；而=19.71msHP3562A相关延时：=19.53ms相对误差：0.96%结果表明用HP3562A进行测试有足够的精度.6,3.2用HP3562

18、A作为农照标定*由于气固两相流的流速测量目前尚无现成仪表可用，因而需要寻找一种测量方法来解决气固两相流体的流速标定问题。前面我们采用自由落体法验证了利用HP3562A仪器测定流速，其误差可控制在1%以内.因此，本系统采用HP3562A的相关计算结果进行系统标定是完全可行的。图11随机流动噪声的相关曲线图10上、下游随机流动噪声信号由图11可见，HP3562A测得的相关时滞：Lv8=18.359（ms）实时相关软件寻峰跟踪结果如右表.平均：tz=284.7859；我们首先用磁带机录下物料流流动噪声信号，然后经系统采样，极化和相关寻峰处理，求出物料流流经两电容极板间的流动时间另外，该物料流流动噪声

19、信号也被送入HP3562A中进行相关处理，求出平均流动时间raV8.*与玲,g相比较即可判定本系统内测量精度.图10为由变送器输出的两路随机流动噪声信号.图11为两路随机流动噪声的相关曲线（50次平均）序号1234567r'2722742822712«9283289序号891011121314r，292276307287300279286对比：时钟频率f=15.619kHz；HP3562A50次平均：iavil=18359ms；第2期封闭管路内散装团体物料流速的相关测最9实时相关结果：t,=18.233ms。相对误差：0.73%;可见：实时相关的精度在1%左右.7总结相关测量

20、技术是一种有广阔应用前景的技术，本研究工作用该技术为实现在线实时测量气固两相流做了一定工作°理论和实验均证明：a. 采用电容传感器和脉宽调制真有效值变送电路检测微弱的随机流动噪声信号是可行的，对离散物料(气固两相流)的流动噪声检测是有效的，研制成功的电容传感器和变送器是正确实用的，信噪比达40dB左右.b. 本研究工作中提出的相对过零极性互相关算法和扫描自适应0.618快速寻峰算法是可行的，依此研制的在线实时全软件相关器是成功的，实时性达Is左右.c. 采用HP3562A的相关结果作为实时相关系统标定依据的办法是实用的.实验结果表明相关测速系统误差在1%左右。d. 本研究工作证明了采

21、用相关法对离散物料(气/固两相流)进行流速检测是可行的.参考文献1徐苓安.相关流缺测最技术.天津大学出版社，19892膏玉燕译.日本电子电路精选.电子工业出版社,19893杨兆远.555定时器原理及实用电路集锦.天津大学出版社，1989HenryRM.AnImprovedAlgorithmAllowingFastOn-LinePolarityCorrelationbyMicroprocessororMicrocomputer.IEEConferenceDigest.1979；32(3):1-44 VanVleckJH.MiddletonD.TheSpectrumofClippedNoise.Proc.IEEE.1966；54(1):2-19